摘要：發展直流電網技術需要能夠快速分斷電流、經濟可靠的高壓直流斷路器解決直流故障隔離問題。通過對比直流系統故障隔離的幾種技術方案，表明應用直流斷路器隔離直流故障可在保障換流設備安全的同時，有效維持系統中健全部分的供電持續性，是直流故障隔離較為有效的解決方案。在分析直流電網對高壓直流斷路器技術性能要求的基礎上，對機械式直流斷路器和分別基于晶閘管和絕緣柵雙極晶體管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)的 2 種混合式直流斷路器的電流分斷特點和發展現狀進行了闡述。提出換流技術、雜散參數優化技術、與系統的協調配合技術和試驗技術是高壓直流斷路器技術發展面臨的主要技術挑戰。最后，對高壓直流斷路器在舟山五端柔性直流輸電工程中的應用情況和即將開展的張北直流電網工程進行了介紹。

關鍵詞：高壓直流斷路器;故障隔離;柔性直流;直流電網

0 引言

柔性直流輸電技術的發展日趨成熟，其獨立功率調節和靈活運行能力，為間歇性可再生能源并網與消納提供了安全高效的解決方案。目前，世界范圍內投入商業運行的大部分柔性直流輸電工程均采用點對點輸送方式;相較于多條點對點的電能輸送方式，多個柔直換流站連接成網狀形成直流電網，在高壓大容量領域中具備更好的可靠性、經濟性和靈活性。隨著風電、光電等可再生能源不斷開發，大規模清潔能源并網與跨區域電能傳輸對柔性直流電網的構建與發展提出了迫切需求[1-2]。

目前已投運的柔性直流輸電工程大多采用模塊化多電平技術(modular multi-level converter，MMC)和脈寬調制兩電平技術，這些工程均無法通過閉鎖換流閥清除直流故障，只能通過分斷交流側斷路器來實現故障隔離。研究中采用全橋模塊或電容鉗位雙模塊[3-6]的換流閥帶有直流側故障清除能力，可以通過換流閥閉鎖清除直流故障。在沒有直流斷路器的情況下，點對點柔性直流輸電工程依靠分斷交流斷路器或閉鎖帶直流側故障清除能力的換流閥可實現直流故障清除;但以上 2 種方式在高壓大容量直流電網中的應用將造成整個系統短時停電，難以滿足系統運行要求。當系統配置直流斷路器后，通過選擇性分斷直流斷路器可以實現故障線路的快速隔離并維持系統其他部分的持續運行。

直流故障保護是柔性直流電網構建所面臨的技術瓶頸，研制適用于柔性直流電網應用的直流斷路器，保證直流電網運行的可靠性，是直流電網建設必須突破的技術難題[7]。

與交流系統相比，直流故障電流缺乏自然零點，要實現其可靠開斷，需要人工創造電流零點，同時還需要吸收儲存于直流系統感性元件中的巨大能量，因此直流斷路器的設計較交流斷路器難度大為增加。此外，柔性直流電網故障擴展快、電流上升快，對換流站等設備沖擊大，為保障設備安全一般在數毫秒全網換流站將會閉鎖退出運行，為實現直流電網健全區域持續運行，直流斷路器需要在數毫秒內完成分斷[8]。

在直流斷路器的多種技術路線中，綜合采用機械開關和電力電子開關的混合式直流斷路器以其顯著的技術優勢成為高壓直流斷路器研制的主流[9-10]。ABB 公司于 2011 年研制了 80kV 3ms 分斷 8.5kA 基于絕緣柵雙極晶體管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)直接串聯的混合式直流斷路器樣機[8]。全球能源互聯網研究院于 2014年完成了 200kV 3ms分斷15kA 的級聯全橋型混合式直流斷路器樣機研制[11]，并于 2016 年實現高壓直流斷路器首個工程示范。

本文首先分析直流電網特點和故障隔離的需求，并對各種直流故障隔離實現方案進行分析和比較。基于直流電網對直流斷路器的技術要求，對各種技術路線直流斷路器的特性和發展現狀進行了闡述，提出了高壓直流斷路器所面臨的主要技術挑戰。最后，對高壓直流斷路器在舟山的工程應用情況和即將開展的張北直流電網工程進行了介紹。

1 直流電網故障隔離技術

當直流輸電系統從端對端發展到多端，并將直流傳輸線路在直流側互連起來，形成獨立的直流網絡，便構成了直流電網，而交流系統通過換流站與直流電網連接[2]。一種典型的四端直流電網拓撲如圖 1 所示。直流電網的優勢在于同樣數量的線路，換流站數量大大減少，且直流系統擁有更多冗余，即使一條線路停運，仍然可以利用其他線路保證供電。

然而要發揮這一優勢，需首先解決直流系統故障隔離問題。即當直流線路發生故障，在導致整個系統停運前，能夠將電網中的故障點快速隔離，是發展直流電網的重要前提和關鍵技術難點[7]。如果不能像交流電網那樣及時有效地清除故障點，將很難保證系統的可靠性和可用率。同時，由于直流系統為弱阻尼系統，慣量小，故障發展速度快，故障隔離的難度相對交流系統要高很多。目前主要的故障隔離方法有依靠交流斷路器隔離，依靠閉鎖帶故障清除能力的換流閥隔離和分斷直流斷路器隔離。

1.1 交流斷路器隔離故障

已經投運的柔性直流輸電工程主要采用基于全控器件 IGBT的兩電平或半橋 MMC換流閥技術。如圖 2 所示，當直流側發生短路故障換流閥閉鎖后，交流電流將通過換流閥中 IGBT 反并聯二極管續流，從而導致柔性直流系統無法依靠換流閥自身來清除直流側故障。目前柔性直流輸電工程普遍通過分斷交流斷路器來隔離直流故障。當直流側發生故障后，直接分斷系統中所有的交流斷路器，待直流側電流衰減到零后，分斷故障線路兩側隔離開關隔離故障線路，再重新合交流斷路器重啟系統[12]。該方法在沒有直流故障電流分斷設備的情況下實現了換流設備的保護，舟山五端和南澳三端柔性直流工程初期均采用該故障隔離方法。然而采用該方法會使得直流系統局部故障導致整個系統停運，造成區域供電的中斷，降低了系統的運行可靠性和經濟性。文獻[13]提出在換流器橋臂中增加阻尼模塊，加速故障電流的衰減，以提高該方法的系統恢復時間，但仍無法徹底避免供電的中斷。

　　1.2 帶故障清除能力的換流閥

在柔性直流輸電系統中，采用帶故障清除能力的模塊來代替半橋模塊，可以實現直流側故障的清除和隔離。如采用全橋模塊或圖 3 所示的電容鉗位雙子模塊等形式[3-6]。發生直流側故障時，通過主動閉鎖換流閥，利用二極管的單向導電性，使子模塊儲能電容對故障回路提供反向電動勢并吸收故障回路的能量，無論故障電流是哪個方向都將對子模塊電容充電并迅速衰減，從而實現故障回路的阻斷。當直流側電流下降到零后，再將故障線路兩側的隔離開關分斷，將故障線路隔離，最后將換流站重新解鎖，恢復運行。

采用該方式雖然實現了故障線路的隔離，但需要閉鎖直流網絡中的所有換流閥，會造成整個系統功率短暫缺失。閉鎖的時間主要取決于直流側隔離開關的分斷時間。對于圖 1 所示的直流電網來說，換流站是整個電網系統的功率來源和負載接口，當任意一條直流線路故障時，圖中所有換流閥都需要閉鎖，相當于切除了所有電源和負荷。這樣將不能發揮直流電網線路冗余帶來的可靠性優勢。

1.3 直流斷路器隔離故障

實現直流電網故障隔離的另一種方式是借鑒交流電網的思路，先由繼電保護系統判斷出故障地點，然后由高壓直流斷路器隔離故障線路。通過在換流站出口以及直流線路兩側配置直流斷路器，如圖 4 所示，可在數毫秒內完成直流故障的隔離，保障直流系統中換流閥的持續運行。當直流電網中單條線路被隔離時，該線路輸送的功率可由其他直流線路代傳，避免了電能輸送的中斷。該技術方式能夠從根本上解決柔性直流系統直流故障清除和隔離的問題。

綜上分析可以得到，依靠交流斷路器分斷后隔離線路的方案實際已經造成整個系統的停運，并未實現直流線路的故障隔離，通過配置帶故障隔離能力的換流閥來切除“電源”的方式實現直流系統故障清除和隔離，會造成直流系統功率全部缺失，這對于高壓大容量直流輸電網絡而言將是難以接受的。可見，采用高壓直流斷路器實現故障隔離將是未來直流電網的發展趨勢。3 種故障隔離方式技術對比分析，如表 1 所示。

2 高壓直流斷路器的技術發展

2.1 直流電網對直流斷路器的技術要求

高壓直流斷路器實現直流系統故障隔離，應能夠在出現故障的直流線路中產生電流過零點，并在直流電流分斷過程中，吸收直流系統感性元件儲存以及交流系統注入的能量，同時抑制暫態分斷過電壓，降低系統設備的絕緣耐受水平。

快速分斷是直流電網對直流斷路器的最核心要求。直流電網的設計理念中，當單條直流線路出現故障時，應由線路兩端的直流斷路器快速分斷隔離故障線路，而故障線路兩側的換流站持續運行。由于柔性直流系統阻尼低，所產生的直流側短路電流上升率和幅值很高，直流斷路器分斷速度越慢，換流閥因過電流閉鎖的可能性越大，直流斷路器分斷所耐受的電熱應力也將越苛刻，斷路器的設計難度和成本也越高。此外，換流閥還會因故障過程中直流電壓的快速跌落而閉鎖，該時間受直流斷路器分斷暫態電壓的影響。

在保障直流斷路器能夠快速可靠地實現直流故障清除的前提下，直流斷路器還應從工程實際需求出發，考慮經濟性、靈活性和擴展性等問題。直流斷路器長時運行于直流系統中，且其在大容量直流輸電網絡中的數量將超出換流閥，其運行損耗必須設計在較低的水平，保證系統運行的經濟性;直流斷路器應還具備雙向導通和分斷電流能力，以滿足系統靈活潮流調節需求;目前直流輸電網絡的電壓等級序列尚未明確，直流斷路器還應具備模塊化設計，降低自身體積，保障良好的擴展性和兼容性，以滿足不同電壓等級序列的直流系統應用需求。

2.2 機械式直流斷路器

20 世紀 80 年代，歐洲 BBC 公司制造了用于太平洋聯絡線的 500kV/2kA 自激振蕩型機械式直流斷路器[14]。該技術利用傳統交流斷路器電弧弧壓與并聯電容、電感諧振的方式創造零點，拓撲方案如圖 5 所示，CB 為交流斷路器，諧振電感 L 和諧振電容 C 構成諧振電路，MOV 為金屬氧化物避雷器。其結構簡單，運行損耗低;但交流斷路器長達數十毫秒的分斷速度以及斷路器自身回路諧振特性，使得該方案存在分斷時間長、分斷電流小等不足，由于其只能分斷負載電流而無法開斷短路電路，又將該類型直流斷路器稱為高壓直流轉換開關，現主要應用于常規直流輸電系統正常負荷電流的轉移。

隨著快速開關技術的發展，將傳統交流斷路器配置電磁斥力驅動機構，同時采用有源注入的方式創造人工零點，能夠大幅提升機械式斷路器分斷速度和分斷能力，文獻[15-16]提出了有源注入的機械式直流斷路器，如圖 6 所示。

該斷路器分斷前，需要由直流電源通過充電控制開關 K1向諧振電容充電。分斷過程中先分斷機械斷路器 CB，在其產生足夠開距能夠耐受分斷過電壓后，再通過閉合諧振回路開關 K2 使諧振電容 C經諧振電感 L 向機械斷路器 CB 注入反向電流實現電流過零。機械斷路器電流過零后電弧熄滅，短路電流對電容 C 充電直至避雷器動作，實現電流分斷。該斷路器內部換流過程如圖 7 所示。

機械式直流斷路器具備明顯的成本優勢，但其在系統應用方面也存在系列技術問題需要解決，包含斷路器使用壽命，小電流下的可靠關斷、輔助電源系統設計等。此外，實現機械式直流斷路器雙向分斷將進一步使得拓撲結構變得復雜。

目前，ABB、日本三菱公司和我國的南方電網公司已分別研制出了相關樣機，參數分別為 80kV/5ms/10.5kA，120kV/10ms/16kA 和 110kV/4.6ms/12kA[17-18]，其中三菱公司樣機實物如圖 8 所示。

　　2.3 基于晶閘管的混合式斷路器

20 世紀 80 年代未，隨著半導體技術的發展，為提高機械式斷路器的分斷速度，開始有文獻提出將半導體器件與機械開關相結合的混合式直流斷路器拓撲[17-20]。由于晶閘管器件通流能力強，耐壓高，在高壓大功率場合應用廣泛，各種基于晶閘管的混合式直流斷路器相繼被提出。

文獻[21]提出了一種采用晶閘管的混合式直流斷路器拓撲，如圖 9 所示，共分為 4 條支路，支路1 為通流支路，支路 2 和支路 3 為轉移支路，支路4 為耗能支路。

該方案采用 IGBT 閉鎖創造通流支路電流人工過零點，而轉移支路主要由晶閘管閥和電容構成。支路 2 中采用低壓大電容 C1、C2，用于抑制快速開關分斷過程中的電壓上升速率，并在電容兩端并聯避雷器 MOV1 和 MOV2，將電壓可靠限制在較低的幅值，由于快速開關分斷時間達到毫秒級，支路2 采用 2 組并聯支路來共同實現對開關分斷期間的電壓限制，且先導通的支路 2a 的避雷器 MOV1 的動作電壓要低于后導通支路 2b 的避雷器 MOV2 的動作電壓。當快速開關完成分斷后，則觸發晶閘管閥 T4，支路 2 中的電容向支路 3 放電，利用反向注入電流的方式強迫晶閘管閥 T1關斷，短路電流對支路 3 中的高壓小電容 C3 充電，斷路器電壓迅速上升直至避雷器 MOV3 動作，分斷短路電流。該斷路器分斷過程中內部換流過程如圖 10 所示。

該方案采用 IGBT 閉鎖創造通流支路電流人工過零點，而轉移支路主要由晶閘管閥和電容構成。支路 2 中采用低壓大電容 C1、C2，用于抑制快速開關分斷過程中的電壓上升速率，并在電容兩端并聯避雷器 MOV1 和 MOV2，將電壓可靠限制在較低的幅值，由于快速開關分斷時間達到毫秒級，支路2 采用 2 組并聯支路來共同實現對開關分斷期間的電壓限制，且先導通的支路 2a 的避雷器 MOV1 的動作電壓要低于后導通支路 2b 的避雷器 MOV2 的動作電壓。當快速開關完成分斷后，則觸發晶閘管閥 T4，支路 2 中的電容向支路 3 放電，利用反向注入電流的方式強迫晶閘管閥 T1關斷，短路電流對支路 3 中的高壓小電容 C3 充電，斷路器電壓迅速上升直至避雷器 MOV3 動作，分斷短路電流。該斷路器分斷過程中內部換流過程如圖 10 所示。

　　2.4 基于 IGBT 的混合式斷路器

全控型半導體器件 IGBT 具備自關斷能力，利用其可關斷特性插入阻抗，能可靠地實現強迫換流。基于所述原理文獻[8]提出了一種采用 IGBT 直接串聯技術的混合式直流斷路器拓撲，如圖 12所示。

用其可關斷特性插入阻抗，能可靠地實現強迫換流。基于所述原理文獻[8]提出了一種采用 IGBT 直接串聯技術的混合式直流斷路器拓撲，如圖 12所示。

該拓撲由 ABB 公司提出，并于 2011 年完成了額定電壓 80kV、額定電流 2kA、分斷時間 5ms、分斷電流 8.5kA 的樣機研制，如圖 14 所示。

文獻[11]提出了一種采用全橋模塊級聯的混合式直流斷路器拓撲，如圖 15 所示。正常運行時，全橋模塊處于導通狀態，負荷電流經上下橋臂流通;系統發生故障時，通過 2 次換流實現電流分斷。第 1 次換流發生于主支路與轉移支路之間，主支路全橋模塊閉鎖，而轉移支路處于導通狀態，換流完成后快速機械開關分斷;第 2 次換流發生于轉移支路與避雷器支路之間，快速開關完全分斷后，由大量全橋模塊級聯構成的轉移支路閉鎖，短路電流對模塊電容充電直至避雷器保護動作，完成換流，并實現系統所存儲感性能量耗散。

基于 IGBT 直接串聯和全橋模塊級聯的混合式直流斷路器在原理上相似，但也存在技術差異。全橋模塊級聯方案能夠顯著降低 IGBT 關斷過程中電熱應力以及關斷時所耐受的電壓變化率，有利于提高單個器件的分斷電流能力，并易于實現各級IGBT 之間動態均壓，提高了應用可靠性。雖然相同電壓等級下，全橋模塊級聯型混合式直流斷路器IGBT 器件是直接串聯拓撲的 2 倍，但分斷電流能力也提高了 2 倍。

采用圖 16 所示二極管橋式換流模塊代替轉移支路的全橋模塊，可將轉移支路的 IGBT 數量減少1/2[11]。全球能源互聯網研究院采用該方案研制了額定電壓 535kV，分斷時間 2.5ms，分斷電流 25kA 的直流斷路器樣機。

文獻[22]采用由 4 串二極管構成的全橋和 1 串單向串聯 IGBT 替換 IGBT 直接串聯拓撲中的 1 串雙向串聯 IGBT，同樣將轉移支路的 IGBT 數量減少 1/2。南瑞集團采用該拓撲研制了額定電壓35kV、分斷時間 3ms、分斷電流 25kA 的直流斷路器樣機。

針對多端直流和直流電網應用，當單個換流站連接多條直流線路時，需要裝配多套直流斷路器，文獻[23]將多套基于 IGBT 的混合式直流斷路器的主支路和轉移支路重新組合，減少了功率器件的數量，同時提高了斷路器的容錯能力。文獻[24]通過在換流器旁邊并聯輔助放電開關，并在分斷故障電流過程中導通并聯輔助開關，將故障電流轉移，再分斷超高速機械開關。一個換流站只需要配置一套并聯輔助開關，減少了半導體器件的數量，但由于分斷過程中相當于將整個換流站旁路，造成了直流電網供電的中斷。

3 高壓直流斷路器關鍵技術挑戰

面對多端直流和直流電網對高壓直流斷路器的高通流能力、快速分斷、高可靠性等方面的要求，需要針對高壓直流斷路器的電氣拓撲和試驗方法開展深入研究。

1)換流方式。

各種類型的高壓直流斷路器均需要將故障電流在不同特性的回路中進行一次甚至多次換流，以實現電流的分斷。換流方式的可靠性從根本上決定著斷路器分斷的可靠性，而換流時間也是影響分斷時間的重要因素。利用全控型器件快速阻斷回路是目前比較理想的換流方式，但全控型器件成本較高，并且目前針對 500kV/3000kA 柔性直流輸電系統的直流斷路器應用，已達到了全控型器件的承受極限。如果全控型器件參數沒有大的提升，更高分斷容量的直流斷路器將不得不采用其他器件(或設備)及相應的換流方式。比較典型的換流方式還有弧壓自然換流、反向注入電流強迫換流等。此外，在分斷過程中通過逐級換流串入避雷器來限制電流上升率，可在分斷時間不變的情況下，降低電流峰值[25-26]。開展直流電流分斷和換流機理研究，提出更為快速、可靠、易于實現的換流方式，發現具備更優綜合性能的拓撲形式，對直流斷路器技術發展具有重要意義。

2)雜散參數優化技術。

直流斷路器依靠避雷器限制設備的過電壓水平，當設備電壓達到避雷器保護水平時，避雷器阻抗迅速下降，電流從其他支路快速向避雷器支路中轉移，產生了極高的電流變化率，并在回路雜散電感上產生了較高的暫態電壓，該電壓與避雷器電壓相疊加，增大了斷路器設備的暫態過電壓水平。隨著電壓等級的提高，混合式直流斷路器中器件串聯級數在增加，斷路器的體積也在增大，雜散電感的作用更加明顯。此外，雜散電感還延長了斷路器各支路間的換流時間，對斷路器的整體分斷時間造成影響。因此，在對斷路器電壓等級進行提升時，需要優化結構布置，減少換流回路的雜散電感。

3)斷路器與系統協調配合。

目前直流斷路器研究主要集中于斷路器設備自身技術研究上，直流斷路器的功能需求也來自于假定的直流系統。實際上，從系統設計的角度，綜合考慮系統與直流斷路器協調配合設計，不僅有利于直流斷路器的研制，同時也有利于提高系統整體運行技術經濟性。

直流系統中短路電流發展快，一方面對斷路器分斷速度和分斷能力提出了要求，另一方面對換流閥也造成了極大沖擊，發生離換流站出口距離較近的短路故障，換流閥將幾乎瞬時閉鎖退出運行。因此，可以考慮在不顯著影響系統暫態調節性能的前提下，在直流線路中配置限流電抗器或者限流裝置，既能提高系統運行的可靠性，也能降低斷路器的設計難度。

參照交流系統，斷路器動作應以選擇性分斷命令為基礎，因此直流系統中快速故障選線技術的突破對于直流斷路器在系統中的應用性能至關重要。直流斷路器是作為一個開關裝置，等待系統分斷命令而動作，還是能夠依靠自身信號檢測而選擇性動作，需要結合系統方案、故障定位技術以及系統與斷路器協同控制策略等因素綜合設計。

4)直流斷路器試驗技術。

直流斷路器作為新型電力裝備，目前國際上尚無相關的試驗標準，其等效分斷試驗、絕緣試驗和現場分斷試驗方法都有待深入研究，以建立直流斷路器試驗等效評價體系與試驗考核標準，檢驗所設計直流斷路器是否滿足實際應用的能力。

①等效分斷試驗。交流斷路器分斷過程中電流過零后再產生暫態過電壓，分斷過程中斷路器能量損耗較小，分斷試驗中可通過大電流源和高電壓源進行合成試驗來等效實際的分斷應力。而直流斷路器分斷過程中先建立起暫態分斷過電壓并維持數毫秒直到電流過零，存在高電壓與大電流疊加過程，并在斷路器的避雷器中消耗大量熱量[27-28]。等效試驗中，如果對斷路器消耗的熱量進行直接等效，需要采用非常龐大的高壓電容器組或者發電機才能提供。對于轉移支路由多個閥段串聯構成的混合式直流斷路器，由于每個閥段由避雷器限制電壓，彼此間相互獨立，可對單個閥段開展等效分斷試驗，降低試驗容量要求。然而未采用模塊化設計的機械式斷路器無法通過該方法來降低分斷容量。

可見，直流斷路器等效分斷試驗對試驗方法和試驗容量提出了苛刻的要求。如何設計經濟有效的試驗方案需要繼續研究。

②操作沖擊試驗。在進行等效分斷試驗前，斷路器需要進行操作沖擊試驗，單獨考核斷路器的絕緣性能。然而，基于 IGBT 的混合式直流斷路器為便于器件或模塊均壓，并降低分斷過程中的過沖，在器件或模塊中都并聯著容值較大的電容。由于常規的操作沖擊裝置容量有限，很難將沖擊波形施加到斷路器上。針對不同的斷路器設備，如何測試設備的絕緣性能需要進行研究。

③現場分斷試驗。現場進行的直流線路故障電流分斷試驗是對直流斷路器分斷能力的最終考核。由于采用半橋 MMC 拓撲的柔性直流輸電系統在發生直流線路短路故障時，電流上升快、峰值高，且不能通過閉鎖換流閥阻斷電流，如果直流斷路器分斷失敗，將對換流閥及直流斷路器本身都將造成很大沖擊。此外，由于國內外尚未針對柔性直流輸電系統開展過人工短路試驗，目前的保護策略主要基于理論計算和仿真分析，并未得到實踐驗證。直流斷路器的現場分斷試驗方法及后備保護措施仍需要開展研究和實踐。

4 高壓直流斷路器的工程應用

2016 年 12 月 29 日，采用全橋模塊級聯的混合式直流斷路器在舟山五端柔性直流輸電工程中完成 168h 試運行后，正式投入商業運行，標志著高壓直流斷路器首次實現了工程應用。

舟山±200kV 5 端柔性直流輸電工程自 2014 年投入運行以來，增強了舟山電網對風電的接納能力，提高了各島嶼的供電可靠性。但也存在著直流故障無法快速清除，換流站無法單站投退等技術問題，單個換流站的故障會導致整個 5端柔直系統的停運。

2016 年在舟定站正負極平波電抗器出口處各加裝了一臺直流斷路器，現場設備如圖 17 所示，設備額定電壓 200kV，分斷時間 3ms，分斷電流15kA。現場開展了帶電合閘、單站投入、電流分斷等調試試驗項目，并完成了 168h 帶電運行試驗。加裝直流斷路器后，實現了舟定站的帶電單站投退和直流側故障快速隔離功能，提高柔直系統的供電可靠性和靈活性。

此外，國家電網公司規劃了張北可再生能源并網柔性直流電網示范工程，如圖 18 所示。該工程選擇在河北的康保、張北、豐寧建設 3 個±500kV送端柔性直流換流站，在北京建設一個±500kV 受端柔性直流換流站，通過架空輸電線路，構建匯集和輸送大規模風電、光伏、儲能、抽蓄等多種形態能源的 4 端柔性直流電網，計劃于 2019 年建成，將成為世界首個±500kV 柔性直流電網[29-31]。該工程中每個換流站將配置 4 臺直流斷路器，目前已經完成成套設計，要求直流斷路器在 3ms 內分斷峰值25kA 的故障電流。該工程將對高壓直流斷路器技術提出新的挑戰，也將極大促進直流分斷技術的推廣應用和直流電網技術的發展。

　　5 結論

當直流傳輸線路在直流側互連起來形成直流電網，將為新能源接入提供更靈活、更可靠的解決方案，但首先需要解決直流故障隔離問題。本文對直流電網的故障隔離技術進行分析和對比，其中應用直流斷路器的直流故障隔離技術在保障換流設備安全的同時，有效減少了供電系統的中斷，保障了系統供電的持續性，能夠滿足直流電網的故障隔離需求。

本文分析了機械式以及分別基于晶閘管和IGBT 的混合式直流斷路器的技術特點和發展現狀，機械式直流斷路器在成本上有很大優勢，并且通過電流強迫注入的方式提高了分斷性能，縮小了與實際工程需求的差距。基于晶閘管的混合式直流斷路器成本也較低，分斷容量提升空間較大，研究重點是換流原理的優化和結構集成度的提高。基于IGBT 的混合式直流斷路器換流原理簡單，易于實現，并首先實現了工程應用，但成本仍較高。高壓直流斷路器技術的發展和推廣，需要進一步對斷路器支路間換流方式，雜散參數優化技術，斷路器與系統協調配合以及斷路器試驗技術等方面開展研究。

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作者簡介：

魏曉光(1976)，男，博士，教授級高級工程師，研究方向為直流輸電工程技術和直流電網

楊兵建(1984)，男，通信作者，碩士，研究方向為直流電網及其關鍵設備

湯廣福(1966)，男，博士，教授級高級工程師，研究方向為直流輸電技術